大斷面淺埋黃土隧道雙側(cè)壁開挖技術(shù)應(yīng)用

李濟(jì)輝

（江西省嘉和工程咨詢監(jiān)理有限公司，江西南昌 330000）

1 工程概況

G109 小峽口（王家莊至昆侖路段）改建工程位于西寧市與海東市交界處，起點(diǎn)位于海東市河湟新區(qū)唐蕃大道與既有G109 線接線處，大南山隧道全長(zhǎng)3849.7m，雙向六車道，該隧道為一級(jí)公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。大南山隧道出口段，隧道出口位于斜坡上，表層植被發(fā)育，主要為人工種植的松樹和低矮灌木，固坡能力較差；出口段洞身范圍內(nèi)土體成分為黃土狀土，為Ⅱ（中等）自重濕陷性黃土，以下為第四系上更新統(tǒng)沖洪積卵石、白堊系強(qiáng)風(fēng)化砂巖、加里東期花崗閃長(zhǎng)巖。

卵石：稍密—中密，厚層構(gòu)造；

砂巖：青灰色，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體受風(fēng)化作用影響大，巖芯呈碎塊狀、碎石狀；

花崗閃長(zhǎng)巖：褐紅色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀、碎塊狀，完整性系數(shù)Kv=0.15，飽和抗壓強(qiáng)度Rc=6.0MPa，BQ=155.5，[BQ]=55.5，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

綜合評(píng)價(jià)：隧道出口段圍巖穩(wěn)定性較差，施工時(shí)易發(fā)生坍塌。

2 前期準(zhǔn)備

隧道進(jìn)洞前，應(yīng)先做好洞外防排水。

首先，做好洞口的防洪和排水措施，如洞口截水溝、淺埋段洞口地表壓漿等。

其次，堅(jiān)持“防、排、堵、截相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的防排水原則，對(duì)與地下水有補(bǔ)給關(guān)系的水渠、管道等進(jìn)行加固或改遷，洼地用黏土回填并夯實(shí)，按圖紙及規(guī)范要求做好截流導(dǎo)排。

最后，進(jìn)行邊仰坡及套拱施工，施打大管棚時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范要求進(jìn)行施工；須等套拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再進(jìn)行洞身開挖。

3 洞身開挖

3.1 開挖、支護(hù)順序說明

第一，主洞全斷面長(zhǎng)管棚超前注漿預(yù)支護(hù)。

第二，左（右）側(cè)導(dǎo)坑上導(dǎo)洞開挖。

第三，左（右）側(cè)導(dǎo)坑上導(dǎo)洞初期支護(hù)：初噴、安裝鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)（如有兩層鋼筋網(wǎng)應(yīng)分層掛設(shè)）、安裝錨桿（為減少對(duì)土體的擾動(dòng)建議采用自進(jìn)式中空錨桿）、噴射混凝土。

第四，左（右）側(cè)導(dǎo)坑下導(dǎo)洞開挖。

第五，左（右）側(cè)導(dǎo)坑下導(dǎo)洞初期支護(hù)：初噴、安裝鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)（如有兩層鋼筋網(wǎng)應(yīng)分層掛設(shè)）、安裝錨桿（為減少對(duì)土體的擾動(dòng)建議采用自進(jìn)式中空錨桿）、噴射混凝土。

第六，中隔壁上導(dǎo)洞開挖。

第七，中隔壁上導(dǎo)洞初期支護(hù)：初噴、安裝鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)（如有兩層鋼筋網(wǎng)應(yīng)分層掛設(shè)）、安裝錨桿（為減少對(duì)土體的擾動(dòng)建議采用自進(jìn)式中空錨桿）、噴射混凝土。

第八，中隔壁下導(dǎo)洞開挖。

第九，中隔壁下導(dǎo)洞初期支護(hù)：初噴、安裝鋼拱架（安裝仰拱底鋼拱架前先拆除側(cè)導(dǎo)坑臨時(shí)支撐）、噴射混凝土。

第十，中隔壁初期支護(hù)穩(wěn)定后，再將臨時(shí)支撐重新安裝，臨時(shí)支撐落在仰拱底鋼拱架上。

第十一，全斷面澆筑仰拱及填充混凝土，臨時(shí)支撐的拆除應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)決定，如不穩(wěn)定則在二襯施工前再進(jìn)行拆除，拆除后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二襯施工。

第十二，鋪設(shè)防水板、綁扎鋼筋等，采用二襯模板臺(tái)車一次全斷面澆筑二襯砌混凝土。

第十三，黃土隧道開挖時(shí)，應(yīng)遵循“管超前、短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、早噴錨、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉、勤量測(cè)”的施工原則，做到隨時(shí)開挖隨時(shí)支護(hù)，各道工序銜接緊密、緊密相扣。為減少對(duì)土體的擾動(dòng)，在施工過程中實(shí)施短開挖和快循環(huán)，是目前黃土隧道施工中通常使用的施工方法。按開挖作業(yè)線、裝渣運(yùn)輸作業(yè)線、噴錨支護(hù)作業(yè)線和襯砌作業(yè)線四條主作業(yè)施工作業(yè)線和通風(fēng)降塵作業(yè)線、注漿作業(yè)線和防排水作業(yè)線三條輔助施工作業(yè)線布置[1]。

3.2 施工注意事項(xiàng)

第一，超前支護(hù)輔助措施施工，先利用上一循環(huán)架立的鋼架施工完畢再開挖。超前支護(hù)應(yīng)與鋼架腹板開孔連接或焊接連接，形成棚架效應(yīng)。第二，鎖腳錨管應(yīng)及時(shí)設(shè)置，以確保鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定。第三，黃土隧道Ⅴ級(jí)圍巖開挖一榀為一循環(huán)，在開挖過程中如遇到掌子面坍塌，切記不可增加進(jìn)尺長(zhǎng)度，應(yīng)立即對(duì)掌子面坍塌處進(jìn)行封閉，并加快拱架的安設(shè)工作，盡早封閉。為防止坍塌，每個(gè)導(dǎo)洞開挖時(shí)中間應(yīng)留核心土，可改善掌子面坍塌的現(xiàn)象并及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，加強(qiáng)支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，搭設(shè)系統(tǒng)錨桿。第四，施工過程中應(yīng)采取減少下導(dǎo)洞開挖對(duì)上導(dǎo)洞圍巖和支護(hù)擾動(dòng)的措施，下導(dǎo)洞開挖時(shí)兩側(cè)應(yīng)交錯(cuò)進(jìn)行，即左右兩側(cè)應(yīng)錯(cuò)開3～5m 為佳，下導(dǎo)洞開挖時(shí)應(yīng)在上導(dǎo)洞噴混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行開挖，在開挖工作結(jié)束后立即開展初期支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)，需及時(shí)封閉成環(huán)，保證有足夠的安全間距滿足施工要求。第五，現(xiàn)場(chǎng)施工階段應(yīng)按照設(shè)計(jì)方案的要求，落實(shí)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，落實(shí)監(jiān)控與管控，及時(shí)掌握各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，調(diào)節(jié)支護(hù)參數(shù)。當(dāng)拱頂下沉、水平收斂速率達(dá)5mm/d 或位移累計(jì)達(dá)100mm 時(shí)應(yīng)暫停挖掘，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)頻率，通過監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)分析原因，采取切實(shí)可行的處理措施進(jìn)行加固處理。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，黃土隧道施工時(shí)可通過增加鎖腳錨管來降低拱腳及拱頂下沉的概率[2]。

3.3 支護(hù)作業(yè)

3.3.1 錨桿及鋼筋網(wǎng)施工

（1）主要設(shè)計(jì)參數(shù)

大南山隧道STS 襯砌類型Ⅴ級(jí)圍巖設(shè)錨桿及鋼筋網(wǎng)片支護(hù)，拱部設(shè)置直徑φ25mm 組合中空注漿錨桿，長(zhǎng)度4.0m，間距0.6（環(huán)）×0.6m（縱）。鋼筋網(wǎng)片采用HPB300 直徑φ8mm 的鋼筋，網(wǎng)格間距15cm×15cm。

（2）錨桿及鋼筋網(wǎng)施工工藝

（a）錨桿施工工藝，錨桿采用自進(jìn)式鉆進(jìn)，鉆進(jìn)完成后，安裝注漿管和止?jié){塞，注漿后強(qiáng)度滿足要求后錨固。

（b）錨桿安裝前做好下述檢查：第一，錨桿型號(hào)、規(guī)格以及種類都要達(dá)到要求，符合滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。第二，錨桿安裝位置、尺寸、深度、形式都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。第三，孔內(nèi)沒有任何雜質(zhì)，如存在應(yīng)及時(shí)清理。

（c）錨桿孔執(zhí)行下述標(biāo)準(zhǔn)：第一，鉆進(jìn)錨桿孔前應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)方案以及圍巖進(jìn)行確定，并做好標(biāo)記。第二，錨桿孔孔距的允許偏差為150mm。第三，孔深的允許偏差為+50mm，-0mm。第四，錨桿尾端的托板應(yīng)緊貼壁面，用螺母擰緊，如果有圍巖掉落到?jīng)]有接觸的部位應(yīng)楔緊。錨桿外露長(zhǎng)度應(yīng)比混凝土厚度要小，并根據(jù)需要進(jìn)行拉拔試驗(yàn)檢測(cè)，性能參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。第五，鉆孔作業(yè)時(shí)與巖層結(jié)構(gòu)面保持垂直，并進(jìn)行孔內(nèi)清潔處理。第六，桿體插入深度超過設(shè)計(jì)方案的95%，安裝后不能敲擊或者擾動(dòng)。

（d）注漿施工按照如下要求：第一，注漿應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，如中間斷開30min 以上，應(yīng)用水或者稀水泥漿潤(rùn)滑處理，保持孔道的潤(rùn)滑性。第二，注漿時(shí)，注漿管出漿口應(yīng)插入孔內(nèi)并離孔底50～100mm，隨著砂漿的注入緩慢勻速拔出，對(duì)孔口不飽滿的應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)注。第三，注漿孔口壓力應(yīng)符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。

（e）鋼筋網(wǎng)施工工藝：第一，鋼筋網(wǎng)在鋼筋加工場(chǎng)集中加工成型，由專門運(yùn)輸汽車運(yùn)輸進(jìn)洞，現(xiàn)場(chǎng)采用人工安裝，應(yīng)按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工需求加工網(wǎng)片尺寸。為防止鋼筋網(wǎng)片在噴射混凝土?xí)r掉落、晃動(dòng)，網(wǎng)片應(yīng)用電焊的方式連接，直接焊接在錨桿頭部位置，搭接長(zhǎng)度嚴(yán)格控制，需超過網(wǎng)格間隔距離。第二，鋼筋焊接前需先對(duì)鋼筋外觀進(jìn)行檢查，對(duì)表面有削弱鋼筋截面的傷痕的予以剔除，并對(duì)鋼筋進(jìn)行表面清潔，通過敲擊等方式去除水泥漿、浮皮、油漬等，無任何雜物影響質(zhì)量后再進(jìn)行網(wǎng)片的平整處理。第三，為避免鋼筋網(wǎng)被摔產(chǎn)生變形，制作成型的鋼筋網(wǎng)片必須進(jìn)行打包并輕抬輕放。鋼筋網(wǎng)片成品應(yīng)堆放在指定的成品存放倉庫。存放時(shí)應(yīng)按要求進(jìn)行支墊，存放和運(yùn)輸過程中應(yīng)避免受潮，防止銹蝕、污染和變形等。第四，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鋼筋網(wǎng)片的懸掛，現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)施工應(yīng)隨時(shí)進(jìn)行固定處理，并將之前鋪設(shè)結(jié)束的鋼筋通過焊接方式連接形成整體結(jié)構(gòu)。相鄰網(wǎng)片采取搭接方式，長(zhǎng)度應(yīng)超過單個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)度。

3.3.2 鋼架施工

（1）主要設(shè)計(jì)參數(shù)

大南山隧道STS 襯砌類型Ⅴ級(jí)圍巖加強(qiáng)支護(hù)采用全環(huán)工I22 型鋼鋼架，鋼架縱向間距0.5m，鋼架之間通過φ22mm 連接筋相連，連接筋長(zhǎng)0.73m，H18 格柵拱架，排距0.5m。

（2）型鋼鋼架施工工藝

在初噴4cm 厚度的混凝土結(jié)構(gòu)后開始安裝鋼架，同時(shí)與網(wǎng)架焊接連接形成整體，結(jié)束后再整體性噴射混凝土，表面覆蓋1cm 以上。鋼拱架縱向用φ22mm的鋼筋連接，并采取分層噴平的方式處理。鋼架拱腳有穩(wěn)定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，標(biāo)記好垂直隧道中線，中線、高程、垂直度加強(qiáng)檢查，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核檢測(cè)，合格后才能繼續(xù)開展施工。

鋼架安裝工作結(jié)束后，及時(shí)進(jìn)行混凝土的噴射施工，并且覆蓋處理，形成整體的結(jié)構(gòu)；采取分層方式噴射混凝土施工，單層5～6cm，首先從拱墻腳部噴射作業(yè)，保證結(jié)構(gòu)的密實(shí)度與強(qiáng)度符合要求，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的情況，提高結(jié)構(gòu)的整體性，并施打φ42mm、L=3m的鎖腳錨管，鎖腳錨管的施打角度嚴(yán)格按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求進(jìn)行施打，為防止鋼架下沉，鎖腳錨管應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注漿施工[3]。

3.3.3 噴射混凝土施工

（1）主要設(shè)計(jì)參數(shù)

大南山隧道STS 襯砌類型Ⅴ級(jí)圍巖采用C25 噴射混凝土，采用22 工字鋼和18 鋼筋格柵拱架，厚度分別為27cm 和21cm。

（2）噴射混凝土施工工藝

噴射混凝土采用濕噴法施工，分三階段進(jìn)行即初噴、復(fù)噴和終噴。噴射混凝土水泥用42.5 號(hào)普通硅酸鹽水泥；選用潔凈、硬度都符合要求的砂，采取中、粗砂；碎石符合耐久性要求，粒徑在12mm 以內(nèi)；選用合適的添加劑，通常為速凝劑、減水劑等。在投入使用前應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，速凝劑的性能達(dá)到要求，加入后混凝土初凝時(shí)間在5min 以內(nèi)，終凝不超過10min。

混凝土噴射前應(yīng)做好巖面的清理工作，去除松動(dòng)的巖層，凹陷部位應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充填平；黃土隧道表面應(yīng)用高壓風(fēng)清潔處理；現(xiàn)場(chǎng)施工前對(duì)濕噴機(jī)進(jìn)行全面檢查，性能和質(zhì)量合格并進(jìn)行試噴作業(yè)，各項(xiàng)參數(shù)檢驗(yàn)合格后才能繼續(xù)開展噴射施工。

現(xiàn)場(chǎng)混凝土噴射施工的厚度需符合標(biāo)準(zhǔn)，超過90%的部位須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，通常間隔3～5m 進(jìn)行斷面檢測(cè)，全斷面循環(huán)斷面檢測(cè)使用埋釘法施工，斷面間距在2m 以內(nèi)。

混凝土噴射結(jié)束后，應(yīng)加強(qiáng)強(qiáng)度檢測(cè)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的需要制作試塊，通常來說每個(gè)部位試塊有3組，拱部與邊墻都有試塊。對(duì)受噴面進(jìn)行切割法施工，制作現(xiàn)場(chǎng)施工模型，在施工結(jié)束后強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)切割試塊，以100mm3為標(biāo)準(zhǔn)，在合格的條件下養(yǎng)護(hù)28d 進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。

3.4 控制要點(diǎn)

第一，兩側(cè)的導(dǎo)坑形狀幾乎是橢圓形，斷面的寬度為整個(gè)斷面的1/3。第二，兩側(cè)導(dǎo)坑、中槽部位應(yīng)采用短臺(tái)階法開挖施工作業(yè)，各部位的間距、埋深、斷面尺寸均需符合要求。為了保持掌子面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，各部位需預(yù)留核心土，經(jīng)過開挖后再進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)處理，制作成封閉的結(jié)構(gòu)。第三，兩側(cè)導(dǎo)坑的前中槽部位10～15m 的位置上同時(shí)開挖與支護(hù)施工。中槽應(yīng)用臺(tái)階法施工，步距合格的條件下進(jìn)行兩側(cè)平行施工，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工標(biāo)準(zhǔn)。第四，中槽開挖后，再進(jìn)行拱部與兩側(cè)的鋼架連接的環(huán)節(jié)，兩側(cè)導(dǎo)坑施工過程中鋼架部位需精準(zhǔn)，且各個(gè)部位應(yīng)在同一垂面進(jìn)行連接。為了預(yù)防發(fā)生變形的問題，中槽部位在導(dǎo)坑部位上設(shè)置橫撐結(jié)構(gòu)。第五，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，達(dá)到穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)后才可開始臨時(shí)支護(hù)施工，單次拆除作業(yè)的長(zhǎng)度在15m 以內(nèi)，確保數(shù)據(jù)精度合格。第六，拆除臨時(shí)支護(hù)后，即可進(jìn)行二次襯砌、仰拱的施工。

4 仰拱及填充混凝土施工

隧道仰拱需及時(shí)進(jìn)行，并盡早完成支護(hù)與閉合施工，保證結(jié)構(gòu)的受力符合要求，圍巖變形控制在合理范圍內(nèi)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)的安全性。單次開挖仰拱的長(zhǎng)度控制在3m 以內(nèi)，開挖后及時(shí)開展?jié)仓鳂I(yè)，且一次性完成斷面的施工，不能分兩次施工。填筑混凝土可采取半幅施工的方式，接縫達(dá)到平整性要求，然后開始混凝土的施工。仰拱、填充混凝土應(yīng)保持內(nèi)部交通正常通行，并采取搭設(shè)過梁或者棧橋的方法，以滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸正常進(jìn)行。

5 二襯施工

黃土隧道現(xiàn)場(chǎng)施工穩(wěn)定性較差，施工結(jié)束后應(yīng)立即開始二次襯砌施工。在剛進(jìn)洞環(huán)節(jié)應(yīng)及時(shí)澆筑二襯的結(jié)構(gòu)，保持洞口的穩(wěn)定性合格。在含水量超過24%的黃土隧道、膨脹巖隧道等，二次襯砌施工中掌子面的間距應(yīng)在40m 以上。二次襯砌現(xiàn)場(chǎng)施工前，應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)的防排水處理工作，以確保不會(huì)對(duì)施工的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工檢測(cè)工作，保證二襯施工性能和質(zhì)量合格、隧道內(nèi)部穩(wěn)定性合格。

6 結(jié)語

綜上所述，大斷面淺埋黃土隧道雙側(cè)壁開挖是一項(xiàng)關(guān)系到建筑安全和穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，在開挖過程中，須嚴(yán)格按施工方案進(jìn)行控制，通過加大巡查力度和監(jiān)控量測(cè)等手段促進(jìn)施工順利進(jìn)行，從而為后續(xù)施工奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。